UNIDADES DE RADIACIÓN

TEMA 3
MAGNITUDES Y UNIDADES RADIOLÓGICAS
Miguel Alcaraz Baños
Objetivos generales.
1. Definir el Roentgenio.
2. Definir el C/Kg como unidad de exposición en el Sistema Internacional.
3. Explicar el concepto de "tasa" aplicado a las magnitudes radiológicas.
4. Definir el rad.
5. Introducir el rad y el Gray como unidades de dosis de absorción.
6. Establecer la relación entre el rad y el Gray.
7. Establecer la relación entre la dosis absorbida con la exposición de un haz de fotones.
8. Describir el interés de utilización de la dosis equivalente.
9. Definir el rem.
10. Establecer la relación entre Sievert y rem.
11. Explicar el significado del factor de calidad.
12. Explicar el concepto de "curvas de isodosis".
13. Distinguir entre dosis superficial y dosis profunda en el profesionalmente expuesto.
14. Describir cualitativamente qué se entiende por dosis efectiva.
15. Diferenciar entre dosis de entrada y dosis en órganos.
16. Explicar qué se entiende por dosis integral (energía total absorbida).
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TEMA 3
MAGNITUDES Y UNIDADES RADIOLÓGICAS
Miguel Alcaraz Baños
3.1.- INTRODUCCIÓN.
Entre las propiedades de las radiaciones ionizantes no se encuentran cualidades físicas que
las hagan apreciables de forma directa mediante los sentidos humanos: no pueden verse, ni se
huelen, ni se oyen ni se tocan, ni se sienten. Por ello podría prensarse, equivocadamente, que no
existen o que no pueden provocar ningún efecto biológico. Sin embargo, sí es posible reconocer su
existencia por los efectos que ocasionan, por su capacidad de ionizar la materia y de ser absorbidos
por la misma.
Precisamente la necesidad de su cuantificación está derivada de la producción de una serie
de efectos lesivos sobre los organismos vivos. Hace mucho tiempo que se sabe que las dosis altas
de radiación ionizante pueden causar lesiones en los tejidos humanos. Ya a los seis meses del
descubrimiento de los rayos X por Roentgen en 1895, se describieron los primeros efectos nocivos
de las radiaciones ionizantes.
El análisis de síntomas patológicos de un conjunto de radiólogos permitió establecer en 1922
que la incidencia de cáncer era en ellos significativamente más alta respecto a otros médicos,
circunstancia que reafirmó el efecto lesivo de las radiaciones ionizantes y la necesidad de establecer
normas especificas de radioprotección, con la introducción de magnitudes radiológicas que
permitiesen utilizar estas radiaciones de una forma cuantitativa.
La normativa internacional que inicia la normalización de las magnitudes y unidades en el
campo de la Metrología comenzó en 1875, cuando 17 países firmaron la "Convención del Metro" y se
creó la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM), que en sus reglamentos estableció la
necesidad de mantener reuniones con periodicidad no inferior a seis años.
Los comienzos del BIPM no fueron excesivamente alentadores, ya que fue imposible
armonizar los sistemas de magnitudes y unidades, hasta las reuniones de los años 1954 y 1960 en
los que un llamado Sistema Internacional de Unidades (SI) tomó existencia legal y adquirió
paulatinamente ámbito mundial en especial en la comunidad científica.
Independientemente, en 1925 se creó la Comisión Internacional de Medidas y Unidades
Radiológicas (ICRU), cuya misión más importante es hacer recomendaciones respecto a:
- Magnitudes y unidades de radiación y radiactividad.
- Métodos de medida y campos de aplicación en Radiobiología y Radiología Clínica.
- Datos y constantes físicas requeridas para la aplicación de estos procedimientos.
La ICRU también se ocupa en colaboración con la Comisión Internacional de Protección
Radiológica (ICRP), de la elaboración de normativa y recomendaciones en el campo de la
Radioprotección.
Entre 1953 y 1962 la ICRU estableció las definiciones de las magnitudes de dosis absorbida,
exposición, actividad y dosis equivalente y sus correspondientes unidades especiales el rad, el
roentgenio, el curio y el rem. Con ellas se tratará de conocer, no solo la cantidad de radiación de un
haz de radiación emitido por el ánodo, si no también la cantidad de radiación de dicho haz que es
absorbida por la materia, y la probabilidad de producir efectos indeseables como consecuencia de
esta absorción.
En 1975 a propuesta de la ICRU, la BIPM adoptó como unidades en el SI el Becquerelio y el
Gray, abriéndose un período de 10 años para la adopción definitiva de las nuevas unidades.
Finalmente, la unidad SI de dosis equivalente fue propuesta por la ICRU y ICRP en 1977 y aprobada
por la BIPM en 1979.
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En la actualidad se establecen tres tipos de unidades radiológicas distintas -de exposición, de
absorción y de equivalencia biológica-; cada una de ellas cuantifica la radiación ionizante atendiendo
a tres aspectos diferentes de las mismas pero complementarios entre sí.
3.2.- MAGNITUDES Y UNIDADES DE EXPOSICIÓN.
Las magnitudes y unidades de exposición son las encargadas de valorar la capacidad de
ionización que posee un haz de radiación. Por esta razón, la magnitud de exposición se define como
el cociente
X = dQ / dm
donde dQ es el valor absoluto de la carga total de todos los iones de un mismo signo producidos en
el aire, cuando todos los electrones liberados por los fotones absorbidos en la masa dm hayan sido
detenidos completamente en el aire.
Es decir, supuesto un determinado volumen o masa sobre la que incide un haz de fotones de
radiación X, una parte de ellos ocasionarán ionizaciones en sus átomos. De estas ionizaciones se
desprenderán electrones que serán detenidos, en mayor o menor grado, por ese volumen o masa.
En la figura 3.1. se constata de forma práctica lo que se acaba de mencionar. Sabemos que
el aire se comporta como un dieléctrico en condiciones normales. Por ello, si en un circuito eléctrico
simple, entre las placas del condensador existe un determinado volumen de aire, la aguja del
galvanómetro no presentará ninguna oscilación. Si entre las placas del condensador se hace pasar
un haz de radiación X o gamma sí se observará una oscilación de la aguja del galvanómetro. La
explicación de este fenómeno nos viene dada en la definición antes mencionada: los fotones de rayos
X o gamma han provocado ionizaciones en los átomos del aire, generando una carga de electrones y,
por tanto, una pequeña corriente eléctrica. De esta forma se puede medir la cantidad de electricidad
producida, que es proporcional a la cantidad de radiación que ha ionizado ese volumen de aire.
Fig. 3.1. Imágenes del circuito eléctrico, fundamento de un detector de radiación.
La unidad utilizada es el Roentgenio (R), definida como la exposición producida por un haz de
radiación X o gamma, que absorbida en 1 cm3 de aire seco (1,293 mgr. de peso) y en condiciones
normales (Temperatura de 0o C y presión de 760 mm Hg) produce, por ionización, la liberación de
una unidad electrostática de carga (1 u.e.c.).
La unidad moderna, que posteriormente ha sustituido al Roentgenio, en el SI, es el
culombio/kg ( C/Kg.) (Fig.3.2)
La relación entre ambas unidades es la siguiente:
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1 R = 2.58 x 10-4 C/kg
1 C/kg = 3876 R
ROENTGENIO
(R)
SISTEMA INTERNACIONAL
COULOMBIO / KILOGRAMO
(C/KG)
Tasa de dosis:
R/h
R/h.m
1 C / kg = 3876 R
1 R = 98 ergios / gramo de tejido
Cantidad de radiación que actuando sobre 1 ml aire
(1,293 mg peso), 0 oC, 760 mmHg, produce 1 u.e.c.
Fig. 3.2. Unidades de exposición.
Sin embargo, las unidades de radiación deben de expresarse en tasas de dosis, es decir,
dosis de radiación por unidad de tiempo. Se define la tasa de exposición como dX/dt donde dX es el
incremento de exposición durante el intervalo de tiempo dt. La tasa de exposición se expresa en R/s
o C/kg s. Las unidades de tiempo día, hora y minuto pueden usarse en el SI. Frecuentemente se
incorpora la distancia al foco emisor en la tasa de dosis : R/s a 1 metro de distancia. Para navegar
por el resto de unidades es necesario conocer que un R equivale al depósito de 98 ergios/gr de tejido.
3.3.- MAGNITUD Y UNIDADES DE ABSORCIÓN.
Con las unidades anteriores se podía valorar la cantidad de radiación que produce un tubo de
rayos X, y que suele medirse en aire (rendimiento del tubo). Sin embargo, con la dosis de absorción,
de cualquier tipo de radiación ionizante, se pretende valorar la cantidad de radiación que es
absorbida por la materia. La absorción de los fotones está representada por una cesión de energía al
medio, que conlleva la desaparición o pérdida de parte de su intensidad. El uso clínico de los rayos X
viene determinado por esta capacidad para ser absorbidos en diferentes grados por la materia. El
resultado de dicha atenuación es la radiación emergente del paciente, y que impresionará la película
radiográfica, con su valiosa información clínica.
Esta magnitud queda definida como el cociente
D= dE / dm
donde dE es el valor medio de la energía cedida por la radiación y absorbida por una cantidad de
masa dm.
La unidad antigua es el rad, extraño nombre formado por las iniciales de dosis de radiación
absorbida (radiation absorved dose). En su definición se pretendió crear una unidad que sirviera para
cualquier tipo de radiación, y se definía como la dosis de radiación que depositaba 100 ergios de
energía por cada gramo de tejido (Fig.3.3).
Dado que el R era la cantidad de radiación que depositaba 98 ergios/gr. de tejido, y el rad es
la cantidad de radiación que deposita 100 ergios/gr. de tejido, en la práctica clínica habitual se ha
considerado que 1 Roentgenio es igual a 1 rad para rayos X y radiación gamma. Se comete un error,
al menos de un 2%, y se debería determinar la temperatura y la presión en la que se han realizado
las mediciones pero, aún así, se asume este margen de error para facilitar, en la práctica clínica, la
utilización de dichas unidades.
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No obstante, la unidad moderna en el SI es el Gray (Gy) = 1J.Kg-1 . La definición de esta
nueva unidad es sencilla: El Gray es la dosis de radiación absorbida que equivale a 100 rads. La
equivalencia entre estas dos unidades es:
1 rad = 100 ergios/gramo
1 Gy = 100 rad.
Dado que ésta es una unidad que expresa una cantidad considerable de radiación, en
radiodiagnóstico se utilizan submúltiplos de la misma:
1 cGY = 1 rad
1 mGy = 0,1 rad
La dosis absorbida se define para cada punto del material irradiado. Por tanto, cuando se
habla de la dosis en un órgano o tejido, se supone que nos referimos al valor promedio del total
absorbido, y en cada uno de los gramos que componen ese volumen irradiado.
rad
(roentgent absorved dose)
100 ergios / 1 gr tejido
1 rad = 100 ergios / gramo
1 R = 98 ergios / gramo
---------------------------
SISTEMA INTERNACIONAL
Gray
(Gy)
1 Gy = 100 rads
En la práctica
1 R = rad
1 cGy = 1 rad
1 mGy = 0'1 rad
(para rayos X y gamma)
Fig. 3.3. Unidades de absorción.
La dosis absorbida, que es la magnitud dosimétrica de más interés, resulta valida para
cualquier tipo de radiación y requiere la especificación del material en el que se produce la
interacción.
Como en el caso de la tasa de exposición, aquí la tasa de dosis absorbida se define como
el cociente dD/dt donde dD es el incremento de dosis absorbida durante el intervalos de tiempo dt, y
se expresa en Gy/s, Gy/min o Gy/h.
D = dD/dt
3.4.- MAGNITUD Y UNIDADES DE EQUIVALENCIA.
A pesar de la minuciosidad en la elaboración de las magnitudes radiológicas nombradas
hasta ahora, pronto quedó patente que una misma cantidad de dosis de radiación absorbida podría
provocar unos efectos biológicos muy diferentes, en función del tipo de agente que emitía o producía
la radiación ionizante que se absorbía.
Según se ha podido comprobar en estudios efectuados sobre efectos biológicos de la
radiación, la dosis absorbida en un tejido orgánico no determina el efecto biológico resultante ya que
intervienen otros factores como la naturaleza de la radiación, energía y espectro de la radiación, tipo
de efecto biológico, etc.
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Por esta razón la radiobiología ha dirigido sus esfuerzos en la definición de una nueva
magnitud que tome en consideración la pluralidad de los efectos biológicos que se observan. Dado
que la mayoría de los conocimientos sobre efectos biológicos se adquirieron sobre animales de
experimentación, especialmente mamíferos, la nueva unidad creada define la radiación que es
equivalente entre los mamíferos (radiation equivalent mammalian): rem (Fig.3.4).
La definición de rem también debería expresar una comparación entre los diferentes agentes
productores de radiación. Así pues, el rem es la cantidad de radiación ionizante, de cualquier tipo de
radiación ionizante, que tiene el mismo efecto biológico que un rad de rayos X producido a 200 KeV.
En radiodiagnóstico se acepta que, puesto que los rayos X más utilizados poseen un Kilovoltaje pico
(Kvp) de 150 KeV, serán éstos los que se utilicen como regla para comparar el efecto biológico de las
radiaciones ionizantes. En la práctica clínica, aunque se vuelve a cometer un pequeño error, se
admite que 1 rad es igual a 1 rem para rayos X y radiación gamma.
Sin embargo, para valorar otros tipos de radiación ionizante se creó el concepto de Eficacia
Biológica Relativa (EBR). En la práctica la Eficacia Biológica Relativa representa el cociente en
donde se compara el efecto biológico de un rad de rayos X producido a 200 KeV, con el efecto
biológico de un rad de cualquier otro tipo de radiación ionizante. El resultado es un número
adimensional que recibe la denominación de Factor de Calidad ( Q ), y que expresa el grado de
agresividad de los diferentes tipos de radiación en su comparación con los rayos X. (Tabla 3.1)
rem
(roentgent equivalent mammalian)
rads radiación problema
E.B.R.= -------------------------------rads rayos x 200 kV
1 rad = 1 rem
1 R = 1 rad = 1 rem
(para rayos X y gamma)
Fig. 3.4. Unidad antigua de equivalencia .
Tabla 3.1. Factor Q en los distintos tipos de radiación.
Tipo de radiación
Radiación X y/o gamma (*)
Electrones y partículas beta (*)
Partículas beta del tritio
Protones y neutrones
Partículas alfa
Productos de fisión
Núcleos de retroceso
Q
1
1
2
25
25
25
25
(*) Energía mayor de 30 keV
Con posterioridad se instauró, arbitrariamente, una nueva unidad para su uso en el S.I.. Esta
unidad es el Sievert ( Sv ) Por analogía con la definición que se realizó de la dosis de absorción, se
define el Sievert (Fig.3.5) como la dosis de radiación que es equivalente a 100 rem. También en este
caso se emplean los submúltiplos de esta unidad:
1 cSv = 1 rem
1 mSv = 0,1 rem
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SISTEMA INTERNACIONAL
SIEVERT
(Sv)
1 Sv = 100 rem
1 cSv = 1 rem
1 mSv = 0'1 rem
10 mSv = 1 rem
Fig. 3.5. Unidades de Equivalencia biológica.
El uso cotidiano y frecuente del milisievert (mSv) en la práctica habitual lo ha convertido en la
unidad moderna e internacional de equivalencia biológica y, como consecuencia de ello, en la unidad
más empleada en Protección Radiológica.
La tasa de dosis equivalente se define como el cociente dH/dt, en donde dH es el incremento
de dosis equivalente en el intervalo temporal dt. Las unidades quedan expresadas en rem/h. o Sv/h.
Como complemento a todo lo anterior, hoy en día la dosis equivalente se expresa de la
siguiente forma:
H=DQN
donde D representa la dosis absorbida, Q es el factor de calidad y N aglutina en forma numérica,
cualquier otro factor modificante conocido.
El factor N representa el producto de posibles factores modificantes señalados por el ICRP
(tasa de dosis absorbida, forma de fraccionamiento de la dosis total, etc.). Actualmente como el ICRP
no ha dado valores para N distintos de la unidad ni parece probable que se haga en un futuro
próximo, se ha acordado suprimir el factor N en la definición, por lo que a partir de ahora, la dosis
equivalente se expresa como
H=DQ
En la actualidad se define como Dosis equivalente el promedio de las dosis absorbidas en
los tejidos u órganos, ponderadas únicamente por el factor de ponderación de la radiación (WR). Su
unidad es el J/Kg, que recibe el nombre de Sievert.
HT =
∑ WR . D T, R
donde,
HT = dosis equivalente
DT,R = dosis absorbida en el tejido u órgano
WR = factor de ponderación de la radiación, que depende exclusivamente de las
características de la radiación, en concreto de su transferencia lineal de energía (LET).
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El término Q es sustituido, desde 1990, por el WR (Tabla 3.2):.
Tabla 3.2. Factores de ponderación de la radiación (WR).
Tipo y rango de energías
Factor WR
Fotones (todas energías)
Electrones (todas energías)
Neutrones: energía < 10 keV
10 keV a 100 keV
> 100 keV a 2 MeV
> 2 MeV a 20 MeV
> 20 MeV
Protones energía > 2 MeV
Partículas alfa, productos de fisión y núcleos pesados
1
1
5
10
20
10
5
5
20
UNIDADES DE RADIACION
ABSORCION
EXPOSICION
EQUIVALENCIA
Anteriores
R
rad
rem
Gy
Sv
S.I.
C/kg
mSv
Fig. 3.6. Unidades de radiación ionizante.
3.5.- MAGNITUDES DERIVADAS.
Con objeto de evaluar los efectos de las radiaciones ionizantes sobre la población, o sobre
individuos aislados en casos de localización de dosis en algún tejido u órgano, la ICRP ha propuesto
una serie de magnitudes derivadas, entre las que destacan la Dosis efectiva.
Esta magnitud representa la media ponderada de las dosis equivalentes recibidas en distintos
órganos, y viene dada por la expresión:
He =
∑ Wi
Hi
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donde Wi es el factor de ponderación para el órgano i, que representa la proporción de riesgo
estocástico resultante de la irradiación del tejido i, respecto al riesgo total cuando la totalidad del
organismo es irradiado uniformemente, y Hi es la dosis equivalente recibida por el tejido i.
Como resultado de las recomendaciones de 1990 de la ICRP la magnitud dosis equivalente
efectiva pasa a denominarse dosis efectiva, representa la contribución relativa de los tejidos u
órganos en el detrimento resultante de la irradiación uniforme del organismo completo.
Se recomiendan nuevos factores de ponderación para órganos y tejidos (Tabla 3.3).
E =
∑
WT . H T
donde, E = dosis efectiva
WT = factor de ponderación del tejido
HT = dosis equivalente de cada tejido
Tabla 3.3. Variaciones de la dosis efectiva desde 1977 a 1990 propuestas por la ICPR
ICRP 1990
ICRP 1977
MEDULA ÓSEA
0,12
0,12
VEJIGA
0,05
SUPERFICIE ÓSEA
0,03
0,01
MAMA
0,15
0,05
COLON
0,12
GÓNADAS
0,25
0,20
HÍGADO
0,05
PULMONES
0,12
0,12
ESÓFAGO
0,05
PIEL
0,01
ESTOMAGO
0,12
TIROIDES
0,03
0,05
RESTO
0,3
0,05
3.6.- DOSIS SUPERFICIAL Y DOSIS PROFUNDA.
- La dosis equivalente profunda individual Hp(d), es la dosis equivalente en tejido blando situado por
debajo de un puesto especificado del cuerpo, a una profundidad d, apropiada para medir la radiación
fuertemente penetrante. Se recomienda una distancia en profundidad de 10 mm, y suele conocerse
con la abreviatura Hp (10).
- La dosis equivalente superficial individual, Hs(d), es la dosis equivalente en tejido blando situado
por debajo de un punto especificado del cuerpo, a una profundidad d, apropiada para radiación
débilmente penetrante. Se aconseja una distancia en profundidad de 0,07 mm, y se reconoce
mediante las letras Hs (0’07).
Con fines de vigilancia del personal se introducen dos conceptos. El primero de ellos Hp(d),
sirve para órganos profundos que sean irradiados con radiación fuertemente penetrante, y el
segundo, Hs(d), sirve para órganos superficiales que sean irradiados tanto por radiación débil como
fuertemente penetrante. Con ello se pretende poner de manifiesto la importancia clínica del tipo de
radiación en la evaluación de los riesgos biológicos del personal profesionalmente expuesto a
radiación ionizante.
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3.7.- MAGNITUDES DE INTERÉS EN LA DOSIMETRÍA DEL PACIENTE.
Los exámenes de radiodiagnóstico pueden implicar la irradiación total o parcial de muchos de
los órganos del cuerpo humano. Conociendo la dosis recibida por cada órgano durante una
exploración determinada, se puede conocer la probabilidad de la aparición de un efecto biológico
utilizando los factores de riesgo apropiados.
Sin embargo, la medida directa de las dosis en órganos está limitada a unos cuantos órganos
superficiales (tiroides o mama), que con dosímetros fijados en la piel del paciente permitirán un
cálculo de la dosis recibida por el órgano. Las dosis recibidas por órganos más profundos sólo se
pueden estimar indirectamente a partir de las medidas de la dosis en piel utilizando modelos
apropiados. La aplicación correcta de dichos modelos es difícil para los exámenes complejos. Estos
métodos indirectos de cálculo de dosis conducen inevitablemente a conceptos de incertidumbre
matemática.
Un método alternativo consiste en la estimación de la energía total impartida al paciente
independientemente de cómo está distribuida en el cuerpo. Esta técnica es menos rigurosa, pero
depende de una simple medición de la dosis, incluso en el examen más complejo. Se cree que este
método puede proporcionar una medida tan realista del riesgo al organismo como la determinada por
las medidas de las dosis recibidas por órganos individuales.
La energía total impartida al paciente puede calcularse a partir de medidas del producto de la
exposición por área de examen, utilizando cámaras de transmisión de gran superficie, que se puede
fijar fácilmente al colimador del tubo de rayos X y que integra la exposición sobre el área de cada haz
de rayos X. Esta exposición total puede convertirse en energía impartida utilizando los factores de
conversión que dependen principalmente del kV y de su filtración total.
El método más generalizado es la utilización de fantomas o maniquíes, de similares
características al órgano o zona explorada, y con la colocación de múltiples dosímetros de
termoluminiscencia se tratan de establecer las curvas de isodosis para valorar la dosis media del
órgano. Gracias a este método queda patente la dificultad práctica para poder determinar la dosis de
radiación para cada uno de los órganos, en cada exploración y en cada sala. El procedimiento solo
permite establecer márgenes de dosis o dosis de referencia para dichas exposiciones, que facilitan el
control de la exposición del paciente.
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA
INSTITUTO ESTATAL NORUEGO DE RADIOHIGIENE (1984).- Manual de Radiohigiene.
Akal/Universitaria, Madrid (pp.87-101).
FROMMER,H. (1993).- Radiología para el auxiliar de odontología (5ªed).Mosby,Madrid (pp.47-50).
PASLER,H. (1991).- Radiología Odontológica (2ºed).Masson-Salvat Odontologica,Barcelona
(pp.351-355)
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